CN111640973A - 可充电电池 - Google Patents

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S·荣格
胡启朝
Y·马都列维奇
M·金
Y·索恩
J·弗朗索瓦
杰奎琳·洪
A·R·小尼格罗
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Abstract

一种可充电电池。公开了采用最小电池单元面压力抑制装置的电池芯组和方法，用于最小化枝晶生长以及增加金属和金属离子电池电池单元的循环寿命。

Description

可充电电池
相关申请信息
本申请要求于2019年3月1日提交的名称为“A LIGHTWEIGHT BATTERY CORE PACKFOR ELECTRIC AIRCRAFT”的美国临时专利申请第62/812,353号、于2019年3月1日提交的名称为“A LIGHTWEIGHT BATTERY CORE PACK FOR CONSUMER DRONE”的美国临时专利申请第62/812,322号、于2019年4月15日提交的名称为“A WEIGHT CONSTRAINED BATTERY PACK”的美国临时专利申请第62/834,101号和于2019年4月15日提交的名称为“A VOLUMECONSTRAINED BATTERY PACK”的美国临时专利申请第62/834,107号的优先权的权益，其每个以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容大体上涉及可充电电池。具体地，本公开内容涉及包括多个电池单元的电池芯组。
背景技术
锂金属电池电池单元的一般的结构包括结合至铜集电器的锂金属负极和结合至铝集电器的金属氧化物正极。在负极和正极之间是允许锂金属离子往复运动的隔膜。各种不同的电解质溶液可以在正极和负极之间使用。当这种类型的电池放电时，锂金属离子被从负极剥离并且经过隔膜行进至正极。在充电期间，离子流被逆转并且金属离子被再镀返回至负极上。然而，如本领域熟知的，再镀经常不是均一的，导致在许多放电/充电循环之后形成从负极表面延伸出来的枝晶。如果不被控制，那么枝晶生长可以刺穿隔膜并且在相对很少的循环之后导致电池单元的短路。当这发生时电池被很大地劣化。
金属离子的从负极的镀和剥离还使个别的电池单元收缩并且然后膨胀，当金属离子被剥离并且然后再镀时。其他的电池类型，例如使用石墨或硅石墨负极的锂离子电池，也基于离子剥离和再镀起作用并且因此可以经历显著的膨胀并且在再镀时经历成问题的枝晶生长。
当前的用于控制枝晶生长的技术，特别是在锂金属电池中，是较不令人满意的。新的技术方案被需要以延长电池寿命周期。
发明内容
在一个实施中，本公开内容涉及电池芯组，包括形成电池单元堆叠物的多个电池单元，每个电池单元包括至少一个负极和至少一个正极，其中金属离子在放电期间被从负极剥离并且在充电期间被再镀在负极上；以及抑制结构，至少部分地围绕电池单元堆叠物，其中抑制结构向电池单元堆叠物赋予在某个值的基本上均一的表面压力。
在另一个实施中，本公开内容涉及电池组，包括形成电池单元堆叠物的多个电池单元，每个电池单元包括至少一个负极和至少一个正极，其中金属离子在放电期间被从负极剥离并且在充电期间被再镀在负极上；壳体，容纳具有至少约50psi的预负荷表面压力的电池单元堆叠物，其中壳体具有足以经过电池单元堆叠物的多个充电和放电循环保持表面压力的刚度；以及至少两个依从衬垫，其中每个依从衬垫布置在电池单元之间，依从衬垫在充电期间均匀地分布电池单元膨胀压力并且在放电期间推动返回至电池单元。
在又另一个实施中，本公开内容涉及一种控制金属或金属离子电池电池单元的负极上的枝晶生长的方法，其中电池单元包括至少一个平面负极和至少一个平面正极并且其中材料在电池单元放电期间被从负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在负极上。方法包括将多个电池单元组装为电池单元堆叠物；将电池单元堆叠物定位在抑制结构内，抑制结构至少部分地围绕电池单元堆叠物；以及使用抑制结构施加并且保持电池单元堆叠物的电池单元上的至少约50psi的基本上均一的最小表面压力。
附图说明
为了图示本公开内容的目的，附图示出了一个或更多个实施方式的方面。然而，应当理解，本公开内容不限于附图中示出的精确的方法和装置，在附图中：
图1是用于本公开内容的实施方式的电池循环寿命相比于电池单元面压力的绘图；
图2是如本文公开的电池芯组的实施方式的透视图；
图3是图2的实施方式的截面图，如经过图2中的剖面线A-A察看的；
图4是图2的实施方式的截面图，如经过图2中的剖面线B-B察看的；
图5是本公开内容的可选择的实施方式的截面图，如经过图2的剖面线A-A察看的；
图6是本公开内容的另一个可选择的实施方式的透视图；
图7是图6的实施方式的分解透视图；
图8是在图6和图7中示出的实施方式的纵向截面图；
图9是示出了用于图6的实施方式的组装过程的分解示意图；
图10是用于测试电池单元表面的压力的设备的示意性的侧视图；
图11是如可以用于本公开内容的实施方式的典型的电池电池单元的截面图。
具体实施方式
锂金属电池中在锂金属负极表面上的锂枝晶生长已经已知导致短路和电池单元性能的大体的劣化。这些消极效果可以在相对很少的放电/充电循环之后出现。本公开内容提出，除了别的以外，提供更均一的锂镀和剥离并且抑制锂枝晶生长以延长电池的寿命的电池单元面压力控制技术。在一个实施方式中，提供了用于模块或电池组中的多个电池单元的被机械地约束的恒定体积组。在另一个实施方式中，提供了用于模块或电池组中的多个电池单元的基本上“恒定的”压力的被机械地约束的系统。虽然本公开内容被使用锂金属电池单元例证，但是如本领域的技术人员将意识到的，本文含有的对于用于帮助更均一的镀和剥离以及抑制枝晶负极表面生长的技术的教导也适用于其他的金属和金属离子电池类型(适合于用于本文公开的实施方式的锂金属电池单元的图示在图11中示出)。
图1示出了当电池单元在不同的压力下时的电池单元的循环寿命。压力被均一地施加至电池单元的两个表面二者。结果表明，当被施加的压力高于50psi时，枝晶生长被良好地约束，并且循环寿命的数目略微地改变。因此，为了获得循环寿命的更大的数目，施加至每个电池单元的表面的高于50psi的压力是控制枝晶生长的临界压力。如在图1中示出的，在低于该临界压力的压力，循环寿命的数目显著地下降，而在高于临界压力的压力数目被保持在约120。在施加至电池单元的两个表面二者的基本上均一的压力在或高于临界压力的情况下，电池单元的循环寿命被改进，表明通过基本上均一的压力有效地抑制枝晶生长。
图2-图5图示了为了将表面压力保持高于临界水平的恒定体积途径，并且图6-图9图示了“恒定压力”途径。
图2是根据本公开内容的一个实施方式的电池组的透视图。电池组110包括具有在纵向方向的两个开口117(图3)并且包围恒定体积的中空的壳体112。壳体112可以容纳多个电池电池单元114，每个电池单元具有负极113和正极115。在本实施例中，四个电池单元114在图3和图4中示出，并且包括四个电池单元的电池组110具有3Ah的容量。在恒定体积实施方式中对电池单元数目的实际的限制是当金属离子被再镀至负极时由天然的电池单元膨胀产生的力的适应。当电池单元的数目增加时，总的组枝晶生长增加，导致增加的施加至电池组的力。壳体112由刚性材料制造，并且被控制大小并且配置为约束膨胀从而始终保持合适的压力以限制枝晶生长，如本文描述的。示出了，四个电池单元设计是各种方面之间的现实的折中，例如组大小/容量、壳体强度、大小和重量和电荷密度规格。壳体112可以是由被聚合物浸渍的玻璃纤维机加工成的矩形管构建。可选择地，碳纤维方形管的节段或其他的展示相似的强度、轻质性和刚度特性的材料可以被使用。
图3和图4是本公开内容的电池组的分别地在A-A和B-B的方向察看的截面图。电池组110还包括分别地放置在第一电池单元114a和第二电池单元114b之间和放置在第三电池单元114c和第四电池单元114d之间的依从衬垫116。依从衬垫意指衬垫可以在充电期间均匀地分布电池单元膨胀压力并且在放电期间推动返回至电池单元。冷却衬垫118还被放置在第二电池单元114b和第三电池单元114c之间以散热。通常，依从衬垫116的X-Y尺寸可以对应于电池单元114a-d的尺寸，而依从衬垫116的厚度由电池单元的膨胀程度决定并且在允许的电池组体积和衬垫的硬度额定值的变量之间被优化，以将电池单元面压力控制在期望的水平，例如在或高于50psi。在一个实施例中，依从衬垫可以由具有近似地2.8英寸×1.8英寸的尺寸并且具有近似地0.625英寸的厚度的聚氨酯片材制造，并且这样的衬垫可以允许20％的电池单元膨胀。合适的聚氨酯片材性质的实施例在下文的表格1中提供。
Figure BDA0002397596360000041
Figure BDA0002397596360000051
冷却衬垫118可以包括具有高导热率的金属例如铜或铝的薄的片材。热量可以被辐射地散失，例如通过将冷却衬垫的边缘暴露至环境条件或通过附接至散热器。可选择地，冷却衬垫118可以包括设置有用于使冷却流体在其中循环的小通路的材料的片材。
如上文讨论的，依从衬垫116的材料和厚度被选择以使在本实施例中的每个电池单元114a-d的表面上的线性的和均一的压力分布。已经发现，如果压力在电池单元的表面上不能保持基本上均一，那么具有更大的枝晶生长的“热点”可以长成，这可以导致电池单元的过早故障。为了确保约50psi的临界压力，壳体112的内部空腔大小被与电池单元的堆叠物、依从衬垫和冷却衬垫的未压缩的高度组合地选择，使得当电池单元堆叠物被放入壳体112中时，堆叠物到刚性壳体开口的大小的初始压缩向电池单元堆叠物赋予期望的临界表面压力。换句话说，电池单元堆叠物的表面压力是到堆叠物经过其被插入的开口大小的压缩的函数。用于电池组的壳体112的内部空腔因此可以控制施加在电池单元的表面上的压力并且抑制枝晶生长以用于改进的循环寿命。
虽然本实施例示出了4电池单元电池组的6mAh，但是如果更多的或更少的电池单元被使用，则循环寿命的数目可以被合适地保持，只要施加至电池组的每个电池单元的压力至少在或高于临界压力，即50psi。
在一个可选择的实施方式中，如在图5中示出的，电池组510采用五个依从衬垫516，每个被夹在电池单元514之间和/或夹在电池单元514和壳体512的内壁之间。在本可选择的实施方式的一个实施例中，依从衬垫是在长度上近似地58mm并且在宽度上近似地48mm。每个依从衬垫516具有近似地3.175mm(0.125英寸)厚度。相似地，衬垫可以由具有平滑的表面织构和如上文在表格1中指出的材料性质的聚氨酯片材材料制造。本文描述的五个衬垫实施方式可以提供具有在30％SoC(充电状态)的>350Wh/Kg的重量能量密度和>590Wh/L的体积能量密度的电池单元。
一个采用弹性地可膨胀的机械的抑制系统的进一步的可选择的实施方式在图6-图9中示出。本领域的技术人员将意识到，下文描述的弹性构件当它们被膨胀时施加增加的力，然而，在本实施例中施加至电池单元表面的压力的改变基本上小于如上文描述的在恒定体积壳体内的电池单元经历的压力的改变。在如在图2中示出的实施方式中，由壳体110施加至电池单元的压力当电池单元膨胀时增加。
转向图6、图7和图8，电池组610包括被约束在一对端板622之间的多个电池单元614，在图示的实施例中十二个电池单元。一个或更多个弹性构件624围绕电池单元614的堆叠物和端板622以施加持续的约束力。弹性构件624可以当电池正在被充电(膨胀)时储存能量并且持续地保持所述一对端板622之间的压缩力。弹性构件624被选择以将力施加在端板622上，产生约50psi的临界表面压力，如之前解释的。在一个实施例中，弹性构件624可以具有矩形的截面形状，具有5.43磅/英寸(近似地5.16N/mm)的随时间推移的K(弹簧常数)。弹性构件的内周长在一个实施例中是近似地4英寸(101.6mm)，具有近似地2英寸(50.8mm)的平直的长度；宽度是近似地0.5英寸(12.7mm)并且厚度是近似地0.125英寸(3.175mm)。如在本实施例中构建的电池单元堆叠物可以由于在充电循环期间负极的镀和再镀而膨胀约20％。在另一个实施例中，弹性构件可以具有约1.25英寸的内径和约1.5英寸的外径。
为了在膨胀和收缩期间保持电池单元面上的基本上均匀的表面压力，端板622每个均设置有四个轴环626，在长度方向的每个侧部上两个。每个轴环626设置有孔以容纳插入其中的引导构件628。引导构件628可以滑入轴环626的孔中并且实现其之间的间隙配合。这可以限制在宽度方向的膨胀并且将均匀分布的压力施加在电池组610的两个侧部二者上。如果在电池单元堆叠物的膨胀或收缩中经历偏心荷载，则轴环626的长度大小被限定为足以抵抗与引导构件628的粘合或过度的摩擦。例如，在一个实施例中，引导构件628由具有600kpsi的拉伸强度、34Mpsi的弹性模量的复合环氧树脂结构构建。在本实施例中，引导构件可以是在长度上约3.70英寸(94mm)并且重量约1.2克。
图9图示了电池组610的组装过程的透视图。在步骤I，将多个电池单元614在夹具632中通过使用放置在其之间的粘合剂垫629(步骤II)初始地组装在一起。各种合适的粘合剂材料可以被用作粘合剂垫，例如双面丙烯酸泡沫胶带。夹具632包括空腔构件634和背板636，夹具632界定在其中的空腔。电池单元614的堆叠物被容纳在空腔内。在电池单元被组装在一起之后，夹具632被移除。在步骤II，将被粘合剂垫629保持在一起的电池单元614的堆叠物插入到由端板622和引导构件628界定的空间。在步骤III，将弹性构件624围绕电池单元614的堆叠物、端板622和引导构件628的组件放置。然后，完成电池组的组装。
图10示出了用于测试电池单元的表面压力的设备。为了测试表面压力对枝晶生长和循环寿命的影响，电池单元被放置在测试设备中。均一的压力可以被施加并且在多个放电/充电循环内被测量。如本文示意性地描绘的测试设备140包括顶部板142、底部板144和中部板146，它们在角落通过螺纹紧固件148被刚性地保持在一起。为了确保测试设备140的组装，四个螺母150也被使用。每个螺纹紧固件148的一个节段被润滑以防止摩擦。每个紧固件148穿过板中的衬套以防止紧固件的偏心荷载。紧固件148与垫片152和顶部螺母154共同地使用以确保在测试期间的测试设备的组装。力传感器156(例如负荷传感器)被夹在中部板146和底部板144之间。待被测试的电池电池单元114被放置在顶部板142和中部板146之间。扭矩扳手被用于提供在每个顶部螺母154上的精确的拧紧扭矩从而提供在电池电池单元114的表面上的均一的压力。在一个例证性的实施例中，均一的表面压力通过将6lb-f的扭矩施加至每个顶部螺母154上被设置为50psi。力传感器156允许初始压力被精确地设置并且然后贯穿循环中监视改变。施加在电池单元114上的压力从力传感器输出和电池单元114的表面积被计算。
图11图示了如在本文公开的实施方式例如电池芯组110和610中使用的示例性的电池单元114。图11仅图示了电池单元114的某些基本的功能部件。电池单元的现实的实例将典型地使用缠绕的或堆叠的构造体现，包括为了便于图示未在图11中示出的其他的部件，例如电端子、密封物、热击穿层和/或通风孔，除了别的以外。在图示的实施例中，电池单元114包括间隔开的正极208和负极204，以及一对相应的各自的集电器203、205。介电隔膜212位于正极和负极208、204之间以电地分离正极和负极但是允许锂离子、电解质216的离子和氧化还原穿梭添加剂218的离子流动经过其。隔膜可以是多孔的。隔膜212和/或正极208和负极204中的一个、另一个或二者可以也被电解质216和添加剂218浸渍。电池单元114包括容纳集电器203、205、正极208、负极204、隔膜212和电解质216的容器220。
正极和负极208、204可以包括各种不同的与锂金属离子和电解质216相容的结构和材料。集电器203、205中的每个可以由任何合适的导电材料制造，例如铜或铝，或其的任何组合。隔膜212可以由任何合适的多孔介电材料制造，例如多孔聚合物，除了别的以外。
正极208可以由各种材料形成，例如LixMyOz的通式的材料，其中M是过渡金属例如Co、Mn、Ni、V、Fe或Cr，并且x、y、z被选择以满足化合价要求。在一个或更多个实施方式中，正极是选自包括LiCoO2、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2、Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2、LiMn2O4、Li(Mn1.5Ni0.5)2O4或它们的富锂形式的组的层状的或尖晶石氧化物材料。在一个或更多个实施方式中，正极材料是LiCoO2(被充电至4.4V相比于Li金属)、NCA或NCM(622、811)(被充电至4.30V相比于Li金属)。
负极204可以是在放电状态中具有在10μm-100μm或20μm-80μm或40μm-60μm的范围内的厚度的薄锂金属负极。虽然图11示意性地示出了负极204毗邻于集电器203，但是负极材料例如锂金属的片材或膜可以布置在集电器的两个侧部二者。在另一个实施例中，电池单元114可以具有无负极的设计，其中电池单元简单地包括负极集电器203和正极208。锂离子在初始电池单元充电期间被沉积在负极集电器203上以形成锂负极204。进一步的关于电池单元114的示例性的材料和构造的信息可以在名称为“High energy density,highpower density,high capacity,and room temperature capable‘anode-free’rechargeable batteries”的PCT公布第WO 2017/214276号中找到，其以其整体通过引用并入本文。
氧化还原穿梭添加剂218可以是本领域已知的各种氧化还原穿梭添加剂中的任何，例如，2,5-二叔丁基-1,4-双(2-甲氧基乙氧基)苯(DBBB)、2,5-二叔丁基-1,4-双(甲氧基)苯(DDB)、2,5-二叔丁基-1,4-双(2,2,2-三氟乙氧基)苯(DBDFB)、2,5-二叔丁基-1,4-双(2,2,3,3-四氟丙氧基)苯(DBTFP)、2,5-二叔丁基-1,4-双(4,4,4,3,2,2-六氟丁氧基)苯(DBHFB)、2,7-二乙酰噻蒽、2,7-二溴噻蒽、2,7-二异丁酰基噻蒽、2-乙酰噻蒽、2,5-二氟-1,4-二甲氧基苯(DFDB)、2-(五氟苯基)-四氟-1,3,2-苯并二氧硼烷、Li2B12F12、四乙基-2,5-二叔丁基-1,4-苯二磷酸(TEDBPDP)、1,4-双[双(1-甲基乙基)氧膦基]-2,5-二甲氧基苯(BPDB)、1,4-双[双(1-甲基)氧膦基]-2,5-二氟-3,6-二甲氧基苯(BPDFDB)、五氟苯基-四氟苄基-1,2-二氧代硼烷(PFPTFBDB)、二茂铁和它们的衍生物、吩噻嗪衍生物、N,N-二烷基-二氢吩嗪、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)、Li2B12H12-xFx(x＝9和12)。
本公开内容的进一步的技术特征和可选择的实施方式在本段和以下的段中概述。在一个实施方式中，电池芯组包括形成电池单元堆叠物的多个电池电池单元，其中每个电池单元包括至少一个平面负极和至少一个平面正极，其中材料在电池单元放电期间被从负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在负极上。抑制结构至少部分地围绕电池单元堆叠物，其中抑制结构向电池单元堆叠物赋予至少约50psi的基本上均一的最小电池单元面压力。
电池电池单元可以被设计成在至少100个充电/放电循环内保持大于2.5Ah的放电容量。在一个实施方式中，这样的电池芯组可以包括具有在30％SoC(充电状态)的至少约590Wh/L的芯组能量密度的至少四个电池单元。在另一个实施方式中，电池电池单元可以包括锂金属电池单元。
在一个进一步的实施方式中，抑制结构可以包括电池单元堆叠物被放入其中的刚性壳体，具有至少约50psi的预负荷的电池单元面压力，其中刚性壳体具有足以经过电池单元堆叠物的多个充电和放电循环至少基本上保持最小电池单元面压力的刚度。在可选择的实施方式中，在抑制结构内的电池芯组可以包括至少两个依从衬垫，其中每个依从衬垫布置在两个不同的电池单元之间。依从衬垫可以包括具有在约40-90之间的邵氏硬度和在约22-40％之间的巴肖氏弹性的聚氨酯片材材料。
在另一个可选择的实施方式中，电池芯组可以还包括布置在电池电池单元中的两个之间的冷却衬垫。冷却衬垫可以包含具有至少约150W·m-1·K-1的导热率的金属。
在又另一个实施方式中，用于电池芯组的抑制结构可以包括在电池单元堆叠物的相反的端部上的第一端板和第二端板，至少一个弹性构件围绕电池单元堆叠物和端板以向电池单元堆叠物赋予最小电池单元面压力，并且引导棒在端板之间延伸以将电池单元堆叠物在充电和放电循环期间由于膨胀和收缩产生的运动限制至基本上垂直于电池单元面的单一的自由度。滑动轴环可以设置在端板上，其中引导棒配置为在每个端部滑动地接收在滑动轴环中。
在某些实施方式中，提供四个引导棒和八个滑动轴环，其中每个滑动轴环布置在端板上近似地毗邻于端板的角落并且其中引导棒和滑动轴环配合以允许电池单元堆叠物在基本上垂直于电池单元面的方向的膨胀和收缩，同时限制电池单元堆叠物的扭曲、歪斜或折曲以保持电池单元面上的基本上均一的最小压力。
使用弹性构件的进一步的可选择的实施方式可以包括多个弹性构件，其中每个具有至少近似地5.43磅/英寸的弹簧常数。可以在电池单元堆叠物中具有十二个电池单元。也可以在每个电池单元之间具有粘合剂层。
本文公开的实施方式可以包括电池电池单元，包括锂金属电池电池单元、锂离子电池电池单元和镁金属电池电池单元。
在又另一个可选择的实施方式中，电池芯组可以包括形成电池单元堆叠物的多个电池电池单元，其中每个电池单元包括至少一个平面负极和至少一个平面正极，其中材料在电池单元放电期间被从负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在负极上。刚性壳体包含使用至少约50psi的预负荷的电池单元面最小压力容纳电池单元堆叠物，其中刚性壳体具有足以经过电池单元堆叠物的多个充电和放电循环保持最小电池单元面压力的刚度，以及至少两个依从衬垫，每个布置在两个不同的电池单元之间。这样的实施方式可以包括四个电池单元的电池单元堆叠物。可选择地，由高电导率材料形成的冷却衬垫可以布置在电池单元堆叠物的两个电池单元的中心之间。在另一个替代形式中提供五个依从衬垫，其中一个在每对的电池单元之间并且一个在电池单元堆叠物的每个端部电池单元和刚性壳体之间。
在再进一步的实施方式中，电池芯组可以包括形成电池单元堆叠物的多个电池电池单元，每个电池单元包括至少一个平面负极和至少一个平面正极，其中材料在电池单元放电期间被从负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在负极上。第一端板和第二端板设置在电池单元堆叠物的相反的端部上。围绕电池单元堆叠物和端板的多个弹性构件向电池单元堆叠物赋予至少约50psi的基本上均一的最小电池单元面压力。至少四个基本上刚性的引导棒在端板之间延伸，并且布置在端板上的近似地毗邻于每个端板的每个角落的滑动轴环滑动地接收引导棒。滑动轴环和引导棒被配置和设计尺寸以将电池单元堆叠物在充电和放电循环期间由于膨胀和收缩产生的运动限制至基本上垂直于电池单元面的单一的自由度。在进一步的替代形式中，电池芯组可以包括五个具有近似地5.43磅/英寸的最小弹簧常数的弹性构件并且可以包括在电池单元堆叠物的每个电池单元之间的粘合剂层。这样的配置可以具有在电池单元堆叠物中的十二个电池单元。
在本公开内容的另一个方面描述了一种控制金属或金属离子电池电池单元的负极上的枝晶生长的方法。本方法中的电池单元可以包括至少一个平面负极和至少一个平面正极，其中材料在电池单元放电期间被从负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在负极上。限制这样的电池单元中的枝晶生长的方法可以包括将多个电池单元组装为电池单元堆叠物并且施加并且保持电池单元堆叠物的电池单元上的至少约50psi的均一的最小电池单元面压力。在一个替代形式中，控制电池电池单元中的枝晶生长的方法可以包括施加并且保持在至少基本上垂直于电池单元面的取向的最小电池单元面压力。
在用于控制枝晶生长的进一步的可选择的实施方式中，施加和保持最小电池单元面压力可以包括将依从衬垫定位在电池单元堆叠物中在至少两对的电池单元之间，使用最小电池单元面压力预负荷电池单元堆叠物，以及将电池单元堆叠物放置在刚性壳体内，同时保持最小电池单元面压力。在这样的实施方式中，刚性壳体被配置和设计尺寸以具有足以经过电池单元堆叠物的多个充电和放电循环保持最小电池单元面压力的刚度。
在用于控制枝晶生长的进一步的可选择的实施方式中，施加和保持最小电池单元面压力可以包括将电池单元堆叠物放置在两个基本上刚性的端板之间，将多个弹性构件围绕电池单元堆叠物和端板放置，其中弹性构件被配置和设计尺寸以具有最小弹簧常数，最小弹簧常数被选择以在初始的未膨胀的状态中将最小电池单元面压力施加至电池单元堆叠物。在这样的实施方式中，限制端板的相对于彼此和电池单元堆叠物的歪斜或扭曲的进一步的步骤可以被包括。
上文已经是本公开内容的例证性的实施方式的详细描述。注意到，在说明书和所附的权利要求中，连接词语言，例如在短语“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或更多个”中使用的，除非另有具体地声明或指示，应该被视为意指连接词列表中的每个项目可以以排除列表中的每隔一个项目的任何数目或以与连接词列表中的任何或所有的其他的项目组合的任何数目存在，其中的每个可以也以任何数目存在。应用该一般规则，上文的例子中的在其中连接词列表由X、Y和Z组成的连接词短语应该每个涵盖：X中的一个或更多个；Y中的一个或更多个；Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Y中的一个或更多个；Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；以及X中的一个或更多个、Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个。
可以作出各种修改和加入，而不偏离本公开内容的精神和范围。上文描述的各种实施方式中的每个的特征可以如合适的被与其他的所描述的实施方式的特征组合以提供在相关联的新的实施方式中的多种特征组合。此外，虽然上文描述了许多分离的实施方式，但是本文已经描述的内容仅是本公开内容的原理的应用的例证。此外，虽然本文的具体的方法可以被图示和/或描述为被以特定的顺序进行，但是顺序是在一般常识内高度地可变的以实现本公开内容的方面。据此，本描述意图仅以例子的方式，并且不以其他方式限制本公开内容的范围。
示例性的实施方式已经在上文公开并且在附图中图示。本领域的技术人员将理解，对本文具体地公开的内容的各种改变、省略和加入可以作出，而不偏离本公开内容的精神和范围。

Claims (21)

1.一种电池芯组，包括：
形成电池单元堆叠物的多个电池单元，每个电池单元包括至少一个负极和至少一个正极，其中金属离子在放电期间被从所述负极剥离并且在充电期间被再镀在所述负极上；以及
抑制结构，至少部分地围绕所述电池单元堆叠物，其中所述抑制结构向所述电池单元堆叠物赋予在某个值的基本上均一的表面压力。
2.根据权利要求1所述的电池芯组，其中所述基本上均一的表面压力是至少约50psi。
3.根据权利要求2所述的电池芯组，其中所述电池单元在至少100个充电/放电循环内保持大于2.5Ah的放电容量。
4.根据权利要求3所述的电池芯组，包括具有在30％SoC的至少约590Wh/L的芯组能量密度的至少四个电池单元。
5.根据权利要求2所述的电池芯组，其中所述负极包含锂金属。
6.根据权利要求1所述的电池芯组，其中所述抑制结构包括所述电池单元堆叠物被放入其中的壳体，其中所述壳体具有在两个端部的开口。
7.根据权利要求6所述的电池芯组，还包括至少一个依从衬垫，其中所述至少一个依从衬垫布置在两个电池单元之间，并且所述至少一个依从衬垫的厚度由所述电池单元的膨胀程度决定并且在允许的电池组体积和所述依从衬垫的硬度额定值的变量之间被优化。
8.根据权利要求7所述的电池芯组，其中所述依从衬垫包含具有在约40-90之间的邵氏硬度和在约22-40％之间的巴肖氏弹性的聚氨酯片材材料。
9.根据权利要求8所述的电池芯组，还包括布置在两个电池单元之间的冷却衬垫。
10.根据权利要求2所述的电池芯组，其中所述抑制结构包括：
安装单元，界定可变空间以容纳所述电池单元堆叠物；以及
至少一个弹性构件，围绕所述安装单元以向所述安装单元赋予所述表面压力。
11.根据权利要求10所述的电池芯组，其中所述安装单元包括：
与彼此相反的第一端板和第二端板，每个端板包括至少一对分别地设置在每个侧部的滑动轴环；
引导棒，被插入所述滑动轴环中以将所述电池单元堆叠物在充电和放电循环期间由于膨胀和收缩产生的运动限制至基本上垂直于电池单元面的单一的自由度，其中所述引导棒配置为在每个端部滑动地接收在所述滑动轴环中。
12.根据权利要求11所述的电池芯组，包括四个所述引导棒和八个所述滑动轴环，其中每个滑动轴环布置在所述端板上近似地毗邻于所述端板的角落并且其中所述引导棒和所述滑动轴环配合以允许所述电池单元堆叠物在基本上垂直于所述电池单元面的方向的膨胀和收缩，同时限制所述电池单元堆叠物的扭曲、歪斜或折曲以保持所述电池单元面上的基本上均一的最小压力。
13.根据权利要求12所述的电池芯组，其中所述至少一个弹性构件具有至少近似地5.43磅/英寸的弹簧常数。
14.根据权利要求1所述的电池芯组，其中所述电池单元包括锂离子电池单元。
15.一种电池组，包括：
形成电池单元堆叠物的多个电池单元，每个电池单元包括至少一个负极和至少一个正极，其中金属离子在放电期间被从所述负极剥离并且在充电期间被再镀在所述负极上；
壳体，容纳所述电池单元堆叠物，具有至少约50psi的预负荷表面压力，其中所述壳体具有足以经过所述电池单元堆叠物的多个充电和放电循环保持所述表面压力的刚度；以及
至少两个依从衬垫，其中每个依从衬垫布置在所述电池单元之间，所述依从衬垫在充电期间均匀地分布所述电池单元膨胀压力并且在放电期间推动返回至所述电池单元。
16.根据权利要求15所述的电池芯组，其中所述电池单元堆叠物包括四个电池单元。
17.根据权利要求16所述的电池芯组，还包括布置在所述电池单元堆叠物的所述电池单元之间的由高电导率材料形成的冷却衬垫。
18.根据权利要求17所述的电池芯组，其中所述至少一个负极包含锂金属。
19.一种控制金属或金属离子电池电池单元的负极上的枝晶生长的方法，其中所述电池单元包括至少一个平面负极和至少一个平面正极并且其中材料在电池单元放电期间被从所述负极剥离并且在电池单元充电期间被再镀在所述负极上，所述方法包括：
将多个电池单元组装为电池单元堆叠物；
将所述电池单元堆叠物定位在抑制结构内，所述抑制结构至少部分地围绕所述电池单元堆叠物；以及
使用所述抑制结构施加并且保持所述电池单元堆叠物的所述电池单元上的至少约50psi的基本上均一的最小表面压力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述定位、施加和保持包括：
将依从衬垫放置在所述电池单元堆叠物中在至少两个对的电池单元之间；
使用所述基本上均一的最小表面压力预负荷所述电池单元堆叠物；以及
将所述电池单元堆叠物放置在所述抑制结构内，同时保持所述基本上均一的最小表面压力，其中所述抑制结构包括被配置和设计尺寸以具有足以经过所述电池单元堆叠物的多个充电和放电循环保持所述基本上均一的最小表面压力的刚度的刚性壳体。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述定位、施加和保持包括：
将所述电池单元堆叠物放置在两个基本上刚性的端板之间；
将多个弹性构件围绕所述电池单元堆叠物和所述端板放置，所述弹性构件具有最小弹簧常数并且被配置和设计尺寸以在初始的未膨胀的状态中将所述基本上均一的最小表面压力施加至所述电池单元堆叠物；以及
限制所述端板的相对于彼此和所述电池单元堆叠物的歪斜或扭曲，所述端板和弹性构件包括所述抑制结构。
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